JP2008301550A

JP2008301550A - モータ駆動装置

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Publication number: JP2008301550A
Application number: JP2007141539A
Authority: JP
Inventors: Kiyoshi Yamamoto; 山本　　清
Original assignee: Hokuto Seigyo KK
Current assignee: Hokuto Seigyo KK
Priority date: 2007-05-29
Filing date: 2007-05-29
Publication date: 2008-12-11
Anticipated expiration: 2027-05-29
Also published as: JP4990683B2

Abstract

【課題】センサ駆動からセンサレス駆動に切り替える際に励磁シーケンスが狂わないモータ駆動装置を提供する。
【解決手段】コントローラ１は、モータを始動する際にセンサ駆動により立ち上げ、回転数が上がるとセンサレス駆動へ切り替える駆動選択信号を出力し、駆動切替え手段２はセンサレス駆動が選択された後もセンサ駆動を続行し、センサ信号のエッジとそれに替わって基準となるゼロクロス信号のエッジ間で定義される移行期間を避けて励磁シーケンスをセンサレス駆動に切り替える。
【選択図】図２

Description

本発明は、例えばＤＣブラシレスモータをセンサ駆動とセンサレス駆動を切り替えて駆動するモータ駆動装置に関する。

例えばＤＣブラシレスモータに設けられるモータ駆動装置の駆動方式には、ホールセンサなどのロータ位置センサを使用するセンサ駆動方式と、モータコイルに生じる誘起電圧からロータ位置情報を生成するセンサレス駆動方式の２種類がある。

例えば、ハードディスクやＤＶＤなどの記憶装置は高密度化と小型化が進んでおりスピンドルモータの高精度化が要求されている。あるいはレーザープリンタのポリゴンミラーや各種ビデオ装置のスピンドルモータにおいても同様である。特に近年、ＦＤＢ（動圧軸受け）が急速に普及し軸受けの精度と剛性が高まったことから、モータの回転にさらなる高精度化が要求されており、高精度化する際センサに起因する誤差が無視できない状況となりつつある。センサにつきまとう様々な誤差要因、例えば取付け位置誤差・応答性・温度や電圧によるドリフト・偏芯誤差などが存在するため、センサの改善では限界があり、それらを解決するにはセンサレス駆動が適している。しかしながら、センサレス駆動は始動が困難、過負荷に対応できない、線速度一定運転などでの制御性が悪いといった課題がある。そこで、従来のセンサ付モータで始動や変速・減速時はセンサ駆動を行い、高精度が必要なときだけセンサレス駆動を行えば双方の欠点を補う理想的な駆動方式となる。高精度を実現するため、従来はエンコーダ付モータによるサーボシステムが用いられるが大型化し高価格であった。

ここで３相ＤＣブラシレスモータを１２０°矩形波駆動するモータ駆動装置を例示して説明する。図９は、センサ駆動手段とセンサレス駆動手段を備え切り替え可能なブロック構成図である。モータにはロータ位置を検出するための３個のホールセンサＡ，Ｂ，Ｃが内蔵されていて１２０°位相差のセンサ信号を発生する。第１のデコーダ５１はセンサ信号から６０°ごとに切り替わる励磁シーケンスに応じて、対応する通電相を指定する励磁信号Ｓ１〜６を生成し、セレクタ５３、プリドライバ５４を経由しスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６よりなる３相ブリッジ回路を通じてモータコイル５５に通電する。このときモータ駆動回路はいわゆるセンサ駆動を行う。なお、電源やフライホイールダイオード・抵抗などは省略する。また、回転方向などの励磁制御回路や速度制御回路なども省略する。

一方、モータコイル５５のＵ相、Ｖ相、Ｗ相及び中性点（ＣＯＭ）はゼロクロスコンパレータ５６に入力されゼロクロス信号が生成される。第２のデコーダ５２には６ステップで一巡するリングカウンタがあり現在の励磁シーケンスを記憶し、ゼロクロス信号によりトリガーされ歩進する。また第２のデコーダ５２は励磁シーケンスに応じて対応する通電相を指定する励磁信号Ｂ１〜Ｂ６を生成し、セレクタ５３、プリドライバ５４を経由し３相ブリッジ回路によりモータコイル５５に通電する。このときモータ駆動回路はいわゆるセンサレス駆動を行う。プリドライバ５４、３相ブリッジ回路は共用とし、セレクタ５３にてセンサ駆動とセンサレス駆動のいずれかを選択できる。

図９において、上位コントローラ５７はモータ駆動回路を制御するＤＳＰ（Digital Signal Processor）などである。ＨＡＬＬ−Ａ〜Ｃはホールセンサで、モータに内蔵されている。ホールセンサＡ〜Ｃはセンサ信号Ｈ１〜Ｈ３を発生し、第１のデコーダ５１に入力される。第１のデコーダ５１はセンサ信号Ｈ１〜３から励磁信号Ｓ１〜Ｓ６を生成し、上位コントローラ５７からの回転指令により回転パターンあるいは停止パターンを出力する。ゼロクロスコンパレータ５６は、中性点（ＣＯＭ）と、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相それぞれの誘起電圧を比較しゼロクロス点を検出しゼロクロス信号を出力する。ゼロクロスコンパレータ５６には、ゼロクロス点と励磁切り替え点の整合をとるための３０°遅延回路を含む。第２のデコーダ５２は励磁シーケンス記憶部を内蔵し、ゼロクロス信号から励磁信号Ｂ１〜Ｂ６を生成し、上位コントローラ５７からの回転指令により回転パターンあるいは停止パターンを出力する。図中、セレクタ５３は６ビットの２ｔｏ１セレクタで、駆動選択信号にてＳ１〜Ｓ６とＢ１〜Ｂ６のいずれかを選択しＦ１〜Ｆ６として出力する。図中、プリドライバ５４及び出力ブリッジＱ１〜Ｑ６は励磁信号Ｆ１−Ｆ６を電力増幅しモータコイル５５を駆動する。

モータ駆動回路の励磁シーケンスのタイミングチャートを図１０に示す。図１０において、各モータコイル（ＣＯＩＬ−Ｕ，Ｖ，Ｗ）５５のハイサイド期間はＶＤＤに接続され、ローサイド期間はＧＮＤに接続されている。指定のない期間はオープンとなる。ゼロクロス点はゼロクロスコンパレータ５６のゼロクロス検出タイミングである。ゼロクロス信号はゼロクロス点を３０°遅延したパルス信号で、立ち上がりにて励磁シーケンス記憶手段をトリガーする。各センサ信号Ｈ１〜Ｈ３はレベルにて励磁シーケンスを選択する。
特開２００２−２９１２８２号公報

上述したモータ駆動装置においてセンサ駆動とセンサレス駆動を切り替え可能な回路構成と動作について説明したが、以下の課題があるため実用化にならない。即ち、第１の課題は、センサ駆動からセンサレス駆動に切り替えるとき、ゼロクロス信号とセンサ信号と駆動選択信号の３者の位相関係によっては、励磁シーケンスが狂ってしまうことがある。励磁シーケンスがずれるとそれ以降センサレス駆動ができなくなる。

以下、具体例について、図１１及び図１２のタイミングチャートで説明する。励磁シーケンスが進みすぎる例について、図１１を参照して説明する。まず、センサ駆動においてセンサ信号が変化し、次いで駆動選択信号が立ち上がり、その後ゼロクロス信号が立ち上がる場合を示す。実際はセンサ信号の変化点とゼロクロス信号の立ち上りのタイミングは正確には一致せずわずかな位相ずれが発生する。図１１において、最初のＵ−Ｖ相励磁期間では、センサ駆動が選択されているため、センサＨ３が変化すると励磁シーケンスは進みＵ−Ｗ相励磁となる。続いて駆動選択信号が切り替わったので、センサレス駆動が選択される。この直後にゼロクロス信号が立ち上がるのでカウンタはトリガーされ、Ｕ−Ｗ相励磁は一瞬で完了し次のＶ−Ｗ相励磁となり、実際のシーケンスでは励磁シーケンスが１ステップ進みすぎてしまう。この状態が発生すると励磁シーケンスが狂うためモータは正常回転できなくなってしまう。

次に励磁シーケンスが遅れる例について図１２を参照して説明する。先ずセンサ駆動においてゼロクロス信号が立ち上がり、次いで駆動選択信号が立ち上がり、その後センサ信号が変化した場合を示す。Ｕ−Ｖ相励磁期間は、センサ駆動が選択されているため、Ｕ−Ｗ相励磁に切り替えるゼロクロス信号は無視されＵ−Ｖ相励磁が出力される。続いて駆動選択信号が切り替わったので、センサレス駆動が選択される。しかしすでにゼロクロス信号は立ち上がっているので次のゼロクロス信号までトリガーされず、励磁シーケンスはＵ−Ｗ相励磁に進むことができずＵ−Ｖ相励磁のままとなり実際のシーケンスでは励磁シーケンスが１ステップ遅れてしまう。この状態が発生すると励磁シーケンスが狂うためモータは正常回転できなくなってしまう。

さらにゼロクロス信号とセンサ信号と駆動選択信号のエッジが非常に近いか一致した場合は、どの信号が有効となるか不定となり、やはり励磁シーケンスがずれる可能性がある。以上をまとめると、ゼロクロス信号による励磁切り替えタイミングから、それに対応するセンサ信号による励磁切り替えタイミングまでの位相ずれ期間に、駆動選択信号がセンサ駆動からセンサレス駆動に変化すると励磁シーケンスがずれてしまう。なお、センサレス駆動からセンサ駆動に切り替える場合は同時に切り替わっても問題は発生しない。

次に第２の課題について説明する。センサレス駆動では、必ず励磁シーケンスの記憶手段を備え仮想的ロータ位置情報を作り出し、それに基づいて励磁切り替えを行う。そしてモータコイル５５に発生する誘起電圧からゼロクロス点を検出して所定の遅延をかけたゼロクロス信号で、記憶手段をトリガーし励磁シーケンスを進める。モータ停止時やブレーキ時は誘起電圧が発生せず仮想的位置情報は、実際のロータ位置とは無関係に決められる。実際のロータ位置と異なる位置情報で励磁を行ってもモータは正常には回転しない。そこで通常、ロータ位置を検出する特別な検出手段を設け実際の位置に一致させる方法がとられる。あるいはロータを強制転流して誘起電圧を発生させロータ位置を検出する方法もとられる。それらの方法は回路が複雑化し、始動時に逆転やショックが発生するなどの欠点があり、特に過負荷時の始動は困難である。これに対してロータ位置センサ（ホールセンサ）が備わっている場合には、センサ駆動にて始動すれば上記欠点を回避できる。しかしながらモータ始動後、センサ駆動からセンサレス駆動に切り替える際、センサレス駆動手段はロータ位置を認識していないため、誤った励磁シーケンスが選択される場合が多く、モータが停止してしまうという問題がある。

最後に第３の課題について説明する。センサ駆動とセンサレス駆動の切り替えは上位コントローラで行うことになるが、切り替え制御は従来の回路には無い処理であらたに追加となる。処理内容は回転速度を読むなどのリアルタイム処理が必要でありコントローラの負担が大きい。始動時処理以外にも、過負荷状態の検出や瞬時ブレーキなど様々な場合にもセンサ駆動に切り替える必要があり上位コントローラの作業負担が増大するという問題が発生する。

本発明はこれらの課題を解決すべくなされたものであり、その目的とするところは、第１にセンサ駆動からセンサレス駆動に切り替える際に励磁シーケンスが狂わないこと、第２にセンサ駆動からセンサレス駆動に切り替える際、駆動切替え手段が正確な励磁シーケンスを選択できること、第３にセンサ駆動とセンサレス駆動の切り替えに伴う上位コントローラの作業負担を軽減した、モータ駆動装置を提供することにある。

本発明は上記目的を達成するため、次の構成を備える。
センサ駆動若しくはセンサレス駆動のいずれかを選択する駆動選択信号を出力しモータ駆動を制御するコントローラと、コントローラからの駆動選択信号に応じて、ロータ位置センサの検出信号に基づき励磁切替え信号を生成するセンサ駆動と、モータコイルに誘起される誘起電圧からゼロクロス信号を検出し、当該ゼロクロス信号に基づき励磁切替え信号を生成するセンサレス駆動とで相互に切り替える駆動切替え手段と、駆動切替え手段から出力される励磁切替え信号に基づき出力段を切り替えてモータコイルを励磁するモータ出力部を備え、コントローラは、モータを始動する際にセンサ駆動により立ち上げ、回転数が上がるとセンサレス駆動へ切り替える駆動選択信号を出力し、駆動切替え手段はセンサレス駆動が選択された後もセンサ駆動を続行し、センサ信号のエッジとそれに替わって基準となるゼロクロス信号のエッジ間で定義される移行期間を避けて励磁シーケンスをセンサレス駆動に切り替えることを特徴とする。
また、任意のタイミングで駆動切替え手段に入力される駆動選択信号をゼロクロス点に同期する同期センサ選択信号に変換する同期手段を備え、センサレス駆動を選択する駆動選択信号が同期手段へ入力されると、同期手段は少なくともセンサ信号のエッジとそれに替わって基準となるゼロクロス信号のエッジ間で定義される移行期間を回避してゼロクロス点に同期する同期センサ選択信号を出力し、駆動切替え手段はセンサ駆動からセンサレス駆動へ切り替えることを特徴とする。
また、ゼロクロス点が所定時間検出できないとアクティブになるゼロクロス検出判定手段を具備し、ゼロクロス検出判定手段がアクティブになるとセンサ駆動を選択する駆動選択信号を同期手段へ出力し、駆動切替え手段がセンサ駆動に切り替わることを特徴とする。
また、駆動切替え手段は、センサ駆動時はロータ位置情報を、センサレス駆動時は励磁シーケンスを記憶する記憶部を備えており、該記憶部はセンサ駆動が選択されているときはロータ位置情報による励磁シーケンス情報を随時記憶し続け、センサレス駆動に切り替えたとき記憶部に記憶された直前の励磁シーケンス情報から励磁シーケンスを開始することを特徴とする。

上述したモータ駆動装置を用いれば、コントローラは、モータを始動する際にセンサ駆動により立ち上げ、回転数が上がるとセンサレス駆動へ切り替える駆動選択信号を出力し、駆動切替え手段はセンサレス駆動が選択された後もセンサ駆動を続行し、センサ信号のエッジとそれに替わって基準となるゼロクロス信号のエッジ間で定義される移行期間を避けて励磁シーケンスをセンサレス駆動に切り替える。これにより、センサ駆動からセンサレス駆動に切り替える際に励磁シーケンスが進んだり遅れたりすることなく適切なタイミングで励磁シーケンスを切り替えることができる。
特に、駆動切替え手段に入力されるゼロクロス点と非同期の駆動選択信号をゼロクロス点に同期する同期センサ選択信号に変換する同期手段を備え、センサレス駆動を選択する駆動選択信号が同期手段へ入力されると、同期手段は少なくともセンサ信号のエッジとそれに替わって基準となるゼロクロス信号のエッジ間で定義される移行期間を回避してゼロクロス点に同期する同期センサ選択信号を出力し、駆動切替え手段はセンサ駆動からセンサレス駆動へ切り替える。これによりセンサ駆動からセンサレス駆動への切り替えに際して励磁シーケンスがずれることがなく脱調を防ぐことができる。
また、ゼロクロス点が所定時間検出できないとアクティブになるゼロクロス検出判定手段を具備し、ゼロクロス検出判定手段がアクティブになるとセンサ駆動を選択する駆動選択信号を同期手段へ出力し、駆動切替え手段がセンサ駆動に切り替わる。このように、ゼロクロス検出判定手段はゼロクロス信号を検出していないとき、すなわち、モータ停止時、低速運転時、過負荷時或いはショートブレーキをかける際には駆動切替え手段にセンサ駆動選択信号を出力するので、センサ駆動とセンサレス駆動の切り替えに伴う上位コントローラの関与を少なくして作業負担を軽減することができる。
また、駆動切替え手段は、センサ駆動時はロータ位置情報を、センサレス駆動時は励磁シーケンスを記憶する記憶部を備えており、該記憶部はセンサ駆動が選択されているときはロータ位置情報による励磁シーケンス情報を随時記憶し続け、センサレス駆動に切り替えたとき記憶部に記憶された直前の励磁シーケンス情報から励磁シーケンスを開始する。これにより、センサ駆動からセンサレス駆動へ切り替えたとき、駆動切替え手段は正確な励磁シーケンスを継続できる。
したがって、センサ駆動からセンサレス駆動への切り替えを励磁シーケンスが狂うことなく自動化でき、小型・低価格で高精度なモータ駆動装置を提供できる。

以下、本発明に係るモータ駆動装置の最良の実施形態について、添付図面を参照しながら説明する。本願発明は永久磁石ロータと固定子を備えたブラシレスモータを駆動するモータ駆動装置に広く適用することができる。

以下では、３相ＤＣブラシレスモータを駆動するモータ駆動装置について説明する。
図１はモータ駆動装置の一例を示すブロック構成図である。
上位コントローラ（ＤＳＰ（Digital Signal Processor）など）１は、センサ駆動若しくはセンサレス駆動のいずれかを選択するセンサ指令を出力しモータ駆動を制御する。
デコーダ（駆動切替え手段）２は、上位コントローラ１からのセンサ指令に基づく駆動選択信号に応じて、センサ駆動とセンサレス駆動を相互に切り替える。具体的にはデコーダ２はセンサ信号Ｈ１〜Ｈ３を励磁信号Ｂ１〜Ｂ６に変換してセンサ駆動するセンサ駆動モードと、モータコイル３に誘起される誘起電圧に基づくゼロクロス信号により励磁シーケンスを進めるセンサレス駆動モードの双方を有し、プリセット入力によりいずれかを選択できる。一方、コントローラ１からのセンサ指令、或いはゼロクロス検出判定回路８からの判定出力はＯＲゲート５を経由して駆動選択信号が生成される。この駆動選択信号は同期手段（例えばＤ形フリップフロップ）６へ入力されると同期センサ選択信号が生成され、デコーダ２のプリセット端子へ入力される。また、ゼロクロス検出判定回路８がゼロクロス信号を検出しない場合は自動的にセンサ駆動に切り替わる。
モータ出力部であるプリドライバ４はデコーダ２から出力される励磁切替え信号に基づいて出力段のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６を切り替えてモータコイル３を励磁したり、ショートブレーキをかけたりする。

図１において、上位コントローラ（ＤＳＰ）１は、回転動作を指定する回転指令をＯＲゲート５及びプリドライバ４へ出力する。回転指令が非動作レベルのとき、即ち回転停止の場合はセンサ駆動が選択され、また本実施例ではプリドライバ４へのブレーキ指令を兼ねた構成となっており、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６のロー側若しくはハイ側を短絡してショートブレーキがかかる。このように回転停止に加えてブレーキ動作時もセンサ駆動が選択される。本実施例ではプリドライバ４でブレーキ励磁（たとえばすべてのモータコイル３を短絡させる励磁パターン）が出力される。

また、上位コントローラ（ＤＳＰ）１はセンサ駆動を任意に指定するセンサ指令をＯＲゲート５へ出力する。ＯＲゲート５の出力信号は駆動選択信号として同期手段６へ入力される。同期手段６は駆動選択信号が入力されると、ゼロクロス点と同期をとった同期センサ選択信号を生成し、デコーダ２のプリセット端子に入力される。デコーダ２は同期センサ選択信号に応じて、センサ駆動若しくはセンサレス駆動を切り替える。

デコーダ２がプリセット動作時はセンサ駆動となり、センサ信号Ｈ１〜Ｈ３が励磁出力Ｂ１〜Ｂ６に反映され、通常のセンサ駆動と同じ動作となる。また、デコーダ２がカウント動作時はセンサレス駆動となり、カウンタ入力部ＣＫのゼロクロス信号により励磁シーケンスが歩進しセンサレス駆動される。また、デコーダ２は６進リングカウンタ（記憶部）を内蔵しており、ロータ位置記憶部及び励磁シーケンス記憶部として機能する。デコーダ２は、後述するようにセンサコードをバイナリーコードに変換してカウンタに入力するデコードゲート９及びバイナリー出力を励磁信号に変換するエンコードゲート１０を含む（図５参照）。

モータコイル３はゼロクロスコンパレータ７に接続されている。ゼロクロスコンパレータ７は各相モータコイルと中性点（ＣＯＭ）間に誘起される誘起電圧よりゼロクロス信号を出力する。ゼロクロス信号はデコーダ２のカウント入力部ＣＫに入力される。また、ゼロクロスコンパレータ７にて検出されたゼロクロス点は同期手段６のカウント入力部ＣＫに入力される。

モータ停止時は自動的にセンサ駆動が選択されているので、モータ始動時はホールセンサＡ，Ｂ，Ｃによるロータ位置情報が選択され通常のセンサ駆動が行われる。このときデコーダ２内の記憶部には上記センサによるロータ位置情報がプリセットされ続ける。モータ始動後、回転数が上昇するとゼロクロス検出が始まり、自動的にセンサレス駆動が選択される。

デコーダ２がセンサ駆動からセンサレス駆動へ切り替えるとき、記憶部に記憶されたロータ位置情報はホールセンサＡ，Ｂ，Ｃの検出信号に基づいているため、適正な励磁シーケンスが選択される。また、同期手段６はゼロクロス点と非同期で入力される駆動選択信号を、ゼロクロス点に同期する同期センサ選択信号に変換し後段のデコーダ２へ出力する。これにより、センサ駆動からセンサレス駆動への切り替えに際して励磁シーケンスがずれることがなく脱調しない。また、ショートブレーキ時はセンサ駆動が選択され、同期手段６は瞬時にセンサ駆動を指定する。ショートブレーキ時はゼロクロス検出が行えず通常のセンサレス駆動ではロータ位置を見失うが、本実施例ではショートブレーキ時にホールセンサＡ，Ｂ，Ｃによるロータ位置情報がプリセットされるため常にロータ位置を把握している。高速から低速に変速する際に瞬間的にショートブレーキをかけて減速する場合も、ブレーキ解除後ただちにセンサレス駆動に復帰できる。

ここで、センサ駆動からセンサレス駆動に切り替える切替えタイミング動作について説明する。具体的には、駆動選択信号を位相ずれ期間外の信号、例えばゼロクロス点に同期させて、センサ駆動からセンサレス駆動に切り替えるタイミングを位相ずれ期間外へシフトすることが考えられる。駆動選択信号をゼロクロス点に同期するように改善した同期手段６のブロック構成を図４に示す。

図４において、同期手段６には、Ｄ形フリップフロップ（以下Ｄ−ＦＦと表記）が用いられる。Ｄ−ＦＦのクロック入力部ＣＫにはゼロクロスコンパレータ７で検出されるゼロクロス点の検出信号が入力され、データ入力部ＤＡＴＡには、ＯＲゲート５から駆動選択信号が入力される。出力端子Ｑからは同期センサ選択信号が出力される。駆動選択信号がセンサレス駆動を選択した後、ゼロクロス信号の立ち上がりで、同期センサ選択信号はセンサレス駆動を指定する。また、ＲＥＳＥＴ（リセット）入力部にＯＲゲート５から駆動選択信号が入力され、センサ駆動を選択したときＤ−ＦＦがリセットされるようにすれば、センサ駆動を選択時は瞬時に出力Ｑがリセットされ、同期センサ選択信号も瞬時にセンサ駆動を指定する。

このようにデコーダ２に入力されるゼロクロス点と非同期の駆動選択信号をゼロクロス点に同期する同期センサ選択信号に変換する同期手段６を備え、センサレス駆動を選択する駆動選択信号が同期手段６へ入力されると、同期手段６は少なくともセンサ信号の立下りエッジとそれに替わって基準となるゼロクロス信号の立上りエッジ間で定義される移行期間を回避して同期センサ選択信号をデコーダ２へ出力する。このとき、励磁切り替えタイミングと同期センサ選択信号は３０°の位相差を持つことができ、励磁シーケンスが不用意にずれてしまうことを防止できる。

なお、Ｄ−ＦＦのクロック入力部ＣＫとデータ入力部ＤＡＴＡへ同時入力された場合は出力Ｑは不定となるが、例えデータ入力部ＤＡＴＡへ入力されず出力Ｑが切り替わらなかったとしても引き続き入力される次のゼロクロス点により出力Ｑは切り替わるので１サイクル遅れて切り替わるだけでモータは正常に回転できる。

以上のように同期センサ選択信号を生成してデコーダ２がセンサ駆動からセンサレス駆動に切り替えることで励磁シーケンスが狂わないことを、図２及び図３のタイミングチャートで説明する。
図２は図１１の励磁シーケンスが進みすぎる例の改善結果を示す。なお、各入力信号のタイミングはまったく同じとしてある。図２において、Ｕ−Ｖ励磁期間は、センサ駆動が選択されているため、センサ信号Ｈ３の変化によりＵ−Ｗ励磁に切り替わる。続いて駆動選択信号がセンサレス駆動へ切り替わるが同期センサ選択信号は出力されずセンサ駆動が継続する。この直後にゼロクロス信号が立ち上がるが、まだセンサ駆動が選択されているためカウンタ入力部ＣＫはトリガーされず、励磁シーケンスは進まない。その後、Ｄ−ＦＦより最初に検出されるゼロクロス点に同期して同期センサ選択信号が出力されると、デコーダ２はセンサレス駆動に切り替わりセンサレス駆動を行う。このように駆動切り替え直前までセンサ駆動の正しい励磁シーケンスを引き継いでいるため、センサレス駆動の励磁切り替えタイミングは位相ずれ期間分だけわずかに前後するだけで以後の回転動作に影響はない。

次いで、図３は図１２の励磁シーケンスが遅れる例の改善結果を示す。Ｕ−Ｗ励磁に切り替えるゼロクロス信号が立ち上がるときは、センサ駆動が選択されているためＵ−Ｖ励磁が出力され続ける。続いて駆動選択信号がセンサレス駆動に切り替わるが同期センサ選択信号は出力されずセンサ駆動が継続する。直後にセンサ信号Ｈ３が切り替わるためＵ−Ｗ励磁に切り替わり、励磁シーケンスは正常に進む。その後、Ｄ−ＦＦより最初に検出されるゼロクロス点に同期して同期センサ選択信号が出力されると、デコーダ２はセンサレス駆動の励磁シーケンスに切り替えてセンサレス駆動を行う。図２と同様に励磁切り替えタイミングは位相ずれ期間分だけわずかに前後するが以後の回転動作に影響はない。なお、図示しないが、センサ信号とゼロクロス信号の出力タイミングが一致した場合も同期センサ選択信号が３０°遅れるため不定とはならず確実に駆動が切り替わる。

また、デコーダ２に設けられた励磁シーケンス記憶部は、センサレス駆動時はカウンタとして動作しているが、センサ駆動時は使われていない。したがってセンサ駆動時はカウンタとしてではなくメモリーとして使用し、センサ信号に基づいた励磁シーケンスを記憶することが可能である。センサ駆動時にセンサ信号に基づいた励磁シーケンスを記憶し続ければ、センサレス駆動に切り替わった際、すでに正しい励磁シーケンスが記憶されているので、あらためてロータ位置を検出する必要はなく、そのままゼロクロス信号により励磁シーケンスを進めてゆけばよい。つまり任意にセンサ駆動からセンサレス駆動に切り替えることが可能となる。センサ信号は１２０°位相差信号でそのままではバイナリーカウンタにはロードできないが、バイナリーコードにデコードすれば可能である。また一般的に、カウンタがプリセット中はロードデータ＝出力データとなり、カウンタは論理的には無いものと扱える。
従って、カウンタ出力が励磁信号に変換されモータを駆動できるように駆動回路を構成し、センサ駆動時にカウンタをプリセットし続ければ、カウンタは論理的にはないものとして扱えるので、通常のセンサ駆動回路と同様の動作となる。センサレス駆動に切り替えるときは、カウンタをロードモードからカウンタモードに切り替える。その際、直前のカウント値は保存される。従って励磁シーケンスは継続しモータは回転し続けることができる。このように、励磁シーケンス記憶部は、センサ駆動選択時は、ロータ位置センサによる励磁シーケンス情報を随時記憶させ、センサレス駆動に切り替わったときは記憶した直前の励磁シーケンスから励磁を開始する。

ここで図５のブロック図を参照して、ロータ位置センサ（ホールセンサＡ，Ｂ，Ｃ）によるロータ位置情報を励磁シーケンス記憶部に記憶するデコーダ２の構成例を説明する。
図５において、デコーダ２はセンサレス駆動時はカウンタとして動作し、センサ駆動時はプリセット動作を行ないセンサ信号Ｈ１〜Ｈ３がそのまま出力される。センサ駆動からセンサレス駆動に切り替わるときは、直前のカウント値（励磁シーケンス）を記憶する。即ち、励磁シーケンスをセンサ駆動とセンサレス駆動で共有する。よって、励磁シーケンスの継続性が保たれ、逐一セレクタを設けて切り替えなくても励磁切り替えが可能となる。
図５において、同期手段６はＤ−ＦＦで構成され、駆動選択信号をゼロクロス点に同期させて同期センサ選択信号を生成する。これにより、センサ駆動からセンサレス駆動へ移行する際の励磁シーケンスのずれを防止する。また、駆動選択信号がセンサ駆動を指定するときは、Ｄ−ＦＦをリセットし、センサレス駆動からセンサ駆動へ直ちに切り替わる。

図５において、カウンタ入力部ＣＫはバイナリー６進リングカウンタのクロック入力部であり、ゼロクロス信号により歩進し、出力Ｑ１〜Ｑ３は２進コードで０〜５を出力する。６カウントすると０にリセットされリングカウント動作をする。駆動選択信号がセンサレス駆動を選択しているときはゼロクロス信号によりカウントアップする。センサ駆動選択時はカウント動作が禁止され、センサ信号Ｈ１〜Ｈ３をバイナリーにデコードしたＤ１〜Ｄ３がプリセットされ、出力Ｑ１〜Ｑ３にはＤ１〜３がそのまま出力される。

図５において、デコードゲート９はＨ１〜Ｈ３で与えられるセンサコードをバイナリーコードに変換しカウンタと整合をとるゲートである。図２のタイミングチャートに従い、Ｈ１＝２^０、Ｈ２＝２^１、Ｈ３＝２^２とおき、励磁シーケンス番号を０〜５とすると、Ｕ−Ｖ励磁期間のＨ１〜Ｈ３の出力コードはバイナリーコード化すると”１０１”となり、つまり５と表せる。励磁番号は任意の励磁シーケンスから開始できるが、ここではＵ−Ｖ励磁を励磁シーケンス番号の０とする。よってＨ１〜Ｈ３の出力コードが”５”を表すとき、デコードゲート出力Ｄ１〜Ｄ３は”０”を出力させる。以下同様に、Ｈ１〜Ｈ３＝”１”のときＤ１〜Ｄ３＝”１”を出力する。Ｈ１〜Ｈ３＝”３”のときＤ１〜Ｄ３＝”２”を出力する。Ｈ１〜Ｈ３＝”２”のときＤ１〜Ｄ３＝”３”を出力する。Ｈ１〜Ｈ３＝”６”のときＤ１〜Ｄ３＝”４”を出力する。Ｈ１〜Ｈ３＝”４”のときＤ１〜Ｄ３＝”５”を出力する。

図５において、エンコードゲート１０は出力Ｑ１〜Ｑ３で与えられる２進コードをセンサコードに復調し、さらに通電相を指定する励磁信号Ｂ１〜Ｂ６に変換するゲートである。図２のタイミングチャートに従うと、Ｑ１〜Ｑ３＝０のとき、Ｕ−Ｖ励磁を指定するコードを出力する。つまり励磁信号Ｂ１と励磁信号Ｂ４をＯＮとする。それにより図１のスイッチング素子Ｑ１がＯＮしＵ相をＶＤＤに、スイッチング素子Ｑ４がＯＮしＶ相をＧＮＤに接続する（Ｑ１〜Ｑ３＝０のとき、Ｕ−Ｖ励磁を指定する理由は前述のデコーダ２の論理に整合させるためである）。以下同様に、Ｑ１〜Ｑ３＝１のとき、Ｕ−Ｗ励磁を指定するコードを出力する。Ｑ１〜Ｑ３＝２のとき、Ｖ−Ｗ励磁を指定するコードを出力する。Ｑ１〜Ｑ３＝３のとき、Ｖ−Ｕ励磁を指定するコードを出力する。Ｑ１〜Ｑ３＝４のとき、Ｗ−Ｕ励磁を指定するコードを出力する。Ｑ１〜Ｑ３＝５のとき、Ｗ−Ｖ励磁を指定するコードを出力する。

次に上位コントローラ１の監視負担を減らすために、図１においてＯＲゲート５とデコーダ２との間に、ゼロクロス検出をしているかどうか判定するゼロクロス検出判定手段８が接続されている。ゼロクロス検出判定手段８がゼロクロス判定の結果、ゼロクロスを検出していないときはセンサ駆動手段を選択する駆動選択信号を発生させる。そうすれば、ゼロクロス点を検出できない状況、すなわち停止時、低速時、過負荷時あるいはショートブレーキ時などには、自動的にセンサ駆動が選択され、上位コントローラ１はまったく関与しなくてすむ。もちろん上位コントローラ１がセンサ駆動を指令するときは任意にセンサ駆動に切り替え可能となっている。

よって、ゼロクロス判定手段８は、ゼロクロス点を検出できないことを判定し、ゼロクロス点を検出できないとき自動的にセンサ駆動に切り替える。まず、ゼロクロス判定手段８の一例を説明する。通常の回転状態では１励磁周期内にゼロクロス点が一つ発生する。したがって励磁周期ごとにゼロクロス点の数を調べればゼロクロスを見失ったかどうか判定できる。

図６のゼロクロス判定のタイミングチャートにおいて、仮にゼロクロス信号の励磁周期２で励磁しているものとすると、直前の励磁周期１を励磁周期とおいて、その時間内にゼロクロスがひとつもなければ未検出と判定する。励磁周期は周期ごとに若干時間が異なるので励磁周期１と励磁周期２とは厳密には時間が一致しないが、ゼロクロス点は励磁周期の中央付近で発生するためわずかな励磁周期の誤差は問題にはならない。

上記以外にもゼロクロス検出の判定方法があり、例えば一定時間を判定条件としてもよい。最低回転数における励磁周期を設定値とするタイマーを備え、励磁切り替えが発生するごとにタイマーを始動して、時間内にゼロクロス点あるいはゼロクロス信号が発生するか監視して判定するようにしてもよい。例えば図７において、リトリガラブルのワンショットマルチバイブレータ１１を使えば容易に実現できる。

ワンショットマルチバイブレータ１１はゼロクロス信号が入力されると、トリガーされ一定時間出力する。ゼロクロス信号が連続的に入力している期間は、リトリガラブル動作により判定出力はＬが継続する。もしゼロクロス信号が途絶えると、判定出力はＨとなりゼロクロス検出が行われなかったことが判別できる。

次に、駆動選択信号の自動生成回路について図８のブロック構成図を参照して説明する。センサ駆動方法が選択されるのは、上記のゼロクロス未検出時のほか上位コントローラ１からのセンサ駆動指令時である。基本的には何か問題があった場合はセンサ駆動を選択するようにすればモータは回転できるので、上位コントローラ１やゼロクロス検出判定手段８からのセンサ駆動を選択する条件をＯＲゲート５にＯＲ接続する。条件は必要に応じていくつでも増加できる。例えば、モータ始動時やショートブレーキ時などに自動的にセンサ駆動を選択でき、また上位コントローラ１は任意のタイミングでセンサ駆動を指定できるようにする。

図８において、センサ指令は上位コントローラ１からのセンサ駆動を指定する信号である。また回転指令は非動作時は回転停止指令であり、停止時にセンサ駆動を指定するものである。図中、ゼロクロス検出判定手段８は、ゼロクロス点あるいはゼロクロス信号を一定期間検出できないときアクティブとなる。一例として図７にワンショットマルチバイブレータ１１を挙げた。また、ＯＲゲート５は入力指令のひとつでもアクティブになると、センサ駆動を指定する駆動選択信号を後段の同期手段６へ出力する。センサ駆動を選択したとき同期手段６の出力Ｑがリセットされ、同期センサ選択信号も瞬時にセンサ駆動を指定する。
以上述べたように駆動切り替え動作の自動化は、ワンショットマルチバイブレータ１１及びＯＲゲート２を用いた極めて簡単な回路で実現できる。

モータ駆動装置のブロック構成図である。センサ駆動からセンサレス駆動へ駆動を切り替える際の励磁シーケンスを示すタイミングチャートである。センサ駆動からセンサレス駆動へ駆動を切り替える際の励磁シーケンスを示すタイミングチャートである。同期手段のブロック構成図である。デコーダのブロック構成図である。ゼロクロス判定のタイミングチャートである。ゼロクロス検出判定手段のブロック構成図である。駆動選択信号の自動生成回路のブロック構成図である。従来のモータ駆動装置のブロック構成図である。図９の駆動装置の励磁シーケンスのタイミングチャートである。センサ駆動からセンサレス駆動へ駆動を切り替える際の励磁シーケンスの不具合を示すタイミングチャートである。センサ駆動からセンサレス駆動へ駆動を切り替える際の励磁シーケンスの不具合を示すタイミングチャートである。

符号の説明

１上位コントローラ
２デコーダ
３モータコイル
４プリドライバ
５ＯＲゲート
６同期手段
７ゼロクロスコンパレータ
８ゼロクロス検出判定手段
９デコードゲート
１０エンコードゲート
１１ワンショットマルチバイブレータ

Claims

センサ駆動若しくはセンサレス駆動のいずれかを選択する駆動選択信号を出力しモータ駆動を制御するコントローラと、
コントローラからの駆動選択信号に応じて、ロータ位置センサの検出信号に基づき励磁切替え信号を生成するセンサ駆動と、モータコイルに誘起される誘起電圧からゼロクロス信号を検出し、当該ゼロクロス信号に基づき励磁切替え信号を生成するセンサレス駆動とで相互に切り替える駆動切替え手段と、
駆動切替え手段から出力される励磁切替え信号に基づき出力段を切り替えてモータコイルを励磁するモータ出力部を備え、
コントローラは、モータを始動する際にセンサ駆動により立ち上げ、回転数が上がるとセンサレス駆動へ切り替える駆動選択信号を出力し、駆動切替え手段はセンサレス駆動が選択された後もセンサ駆動を続行し、センサ信号のエッジとそれに替わって基準となるゼロクロス信号のエッジ間で定義される移行期間を避けて励磁シーケンスをセンサレス駆動に切り替えるモータ駆動装置。
任意のタイミングで駆動切替え手段に入力される駆動選択信号をゼロクロス点に同期する同期センサ選択信号に変換する同期手段を備え、センサレス駆動を選択する駆動選択信号が同期手段へ入力されると、同期手段は少なくともセンサ信号のエッジとそれに替わって基準となるゼロクロス信号のエッジ間で定義される移行期間を回避してゼロクロス点に同期する同期センサ選択信号を出力し、駆動切替え手段はセンサ駆動からセンサレス駆動へ切り替える請求項１記載のモータ駆動装置。
ゼロクロス点が所定時間検出できないとアクティブになるゼロクロス検出判定手段を具備し、ゼロクロス検出判定手段がアクティブになるとセンサ駆動を選択する駆動選択信号を同期手段へ出力し、駆動切替え手段がセンサ駆動に切り替わる請求項２記載のモータ駆動装置。
駆動切替え手段は、センサ駆動時はロータ位置情報を、センサレス駆動時は励磁シーケンスを記憶する記憶部を備えており、該記憶部はセンサ駆動が選択されているときはロータ位置情報による励磁シーケンス情報を随時記憶し続け、センサレス駆動に切り替えたとき記憶部に記憶された直前の励磁シーケンス情報から励磁シーケンスを開始する請求項１記載のモータ駆動装置。